李林桃 張強 李斌 等

摘 要：文章所研究裝置是一套回收利用汽車尾氣余熱進行制冷的新原理空調裝置，該裝置采用以分子篩-水為工質對的雙床吸附式制冷原理利用尾氣余熱驅動汽車空調進行連續(xù)制冷。該系統(tǒng)不使用壓縮機，因而不會大幅度使用汽車高品位電能或機械能，從而大幅度降低了汽車制冷耗油量，此外系統(tǒng)以水為制冷劑，對汽車設備沒有任何危害，符合當前能源、環(huán)境協(xié)調發(fā)展的總趨勢。吸附式制冷空調結構簡單，較壓縮機式汽車空調，減少了機械噪聲和機械振動，延長了制冷系統(tǒng)的使用壽命，降低了汽車的運行和維護費用，有望大規(guī)模推廣。文章所研究的小型吸收式制冷示范裝置可實現約500 W的制冷量，制冷溫度約為15 ℃，取得了良好的預期效果。

關鍵詞：尾氣余熱；空調制冷；吸附式制冷；節(jié)能

中圖分類號：TB61 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0003-02

1 裝置研制背景及意義

北京的夏日原本已經酷熱難耐，而且我們還常會遇到這樣的情況：在炎炎夏日乘坐公交時，每當遇到紅綠燈停車時，大量的汽車擁堵到一塊，這時你就會感覺一股熱浪向你涌來。這股熱流不僅僅是因為夏天的高溫原因，主要是由汽車排放出來的高溫尾氣所導致的。本文我們試想是否能夠將排放的尾氣所攜帶的熱量加以利用。

研究表明，2010年我國的汽車尾氣排放總量高達5 226.8萬t，汽車排放廢氣的同時也帶走大量的余壓余熱，以現有的內燃發(fā)動機指標評估，燃油中60%的能量沒有得到有效利用，絕大部分以余熱的形式排放到大氣中，這不僅造成了巨大的能源浪費，而且嚴重污染了環(huán)境（熱污染），若能將其二次利用，不僅可以節(jié)約能源，還具有重大的環(huán)保意義和社會效益。

2 裝置研制可行性分析

2.1 運作條件分析

基本思路為：根據文獻查閱發(fā)動機排放尾氣的基本參數，利用發(fā)動機的排氣量及排氣溫度，估算出其所能產生的制冷量，結合不同車型的冷負荷，分析利用發(fā)動機尾氣余熱進行吸附式制冷的可行性。

按查閱的相應數據，分別對查詢得到的各類型發(fā)動機的汽車做負荷計算及200 K溫降時的理論制冷功率計算結果如圖1所示。

通過以上結果可以看出：

在重型貨車以及重型機械設備中利用發(fā)動機尾氣廢熱進行吸附式制冷即使在怠速的狀態(tài)下也是完全可以滿足駕駛室內空調負荷的，而在滿負荷狀態(tài)下則更容易獲得更多制冷量，滿足制冷需求，初步證明采用發(fā)動機尾氣余熱制冷是可行的。故該作品裝置的實際應用價值和潛在的經濟效益是巨大的，有望大規(guī)模地推廣應用。

2.2 基本原理分析

假定實驗開始時，1床為解吸床，2床為吸附床，利用尾氣余熱加熱床1。此時，閥門V1、V4開啟，V2、V3關閉。床1中的水（制冷劑）被尾氣加熱成為高溫高壓氣體進入冷凝器，在冷凝器中被冷卻介質（空氣）冷卻成常溫高壓液態(tài)水并儲存在儲液器中，儲液器中的液態(tài)水經節(jié)流閥到達蒸發(fā)器實現蒸發(fā)吸熱過程，從而達到制冷效果。而解吸的同時風機開啟，對床2進行冷卻。床2中的常溫分子篩對蒸發(fā)器中的氣態(tài)水進行壓差吸附，從而使得水蒸氣進入床2而變成液態(tài)水。一段時間后，床1解析完畢，同時床2吸附達到飽和，再將尾氣對床2進行加熱，即閥門V2、V3開啟，V1、V4關閉，再次進行上述過程。通過這兩臺吸附/解吸床的交替循環(huán)工作即可實現連續(xù)性制冷。

3 工質對及分子篩的選擇

3.1 對工業(yè)上吸附工質對進行優(yōu)劣比較

①活性炭-甲醇。甲醇不適于高溫，當溫度高于150 ℃時甲醇會發(fā)生分解，生成二甲醚，這對系統(tǒng)來說非常不利，其次甲醇有毒。

②硅膠-水。該工質對僅適用于在120 ℃以下的溫度工作，高于120 ℃時硅膠會被燒毀，失去吸附能力。

③金屬氫化物-氫。由于金屬氫化物吸附劑包含很多稀有金屬，價格高，不經濟，且氫氣屬于易燃易爆氣體，汽車在顛簸狀況下會發(fā)生爆炸等安全事故。

④氯化鈣-氨，氯化鍶-氨。氨氣有毒，對環(huán)境造成一定的污染，而且該工質對對系統(tǒng)真空度及密封性要求很高。存在微孔燒結現象、汽體滲透性能差、熱量傳遞性能有限等。

⑤分子篩-水。該吸附工質對所需的解吸溫度較寬（70～350 ℃），吸收熱（3 200～4 200 kJ/kg）、蒸發(fā)潛熱（2 400～2 600 kJ/kg）均較大，該工質對性質穩(wěn)定，在高溫下不起反應，且經過多次吸附解吸后吸附性能不變，對外界環(huán)境適應能力強，而且對系統(tǒng)和環(huán)境沒有任何污染等。

3.2 常見的工質對及分子篩性能對比

常見的工質對及分子篩性能對比如表1所示。

3.3 分子篩性能對比

分子篩性能對比如表2所示。

由以上工質對的性能及相應的數據分析比較，同時根據對汽車尾氣的溫度、經濟性以及其對環(huán)境的污染程度等因素的綜合分析，在汽車尾氣吸附式制冷空調裝置的工質對選擇上，分子篩-水工質對是最優(yōu)化的選擇。同時從制冷量考慮， NaY型分子篩制冷效果最好，故選擇該種型號的分子篩做本作品裝置工作吸附分子篩。

4 裝置制作結果分析

該測試實驗在室溫為26 ℃的外界環(huán)境下進行的，經過加熱解吸、冷凝、吸附、蒸發(fā)制冷等過程，最終得到在蒸發(fā)器上獲得15 ℃的制冷效果，實驗結果表明，在未進行系統(tǒng)保溫及優(yōu)化的情況下制冷溫度降達到了近11 ℃，完全達到預期實驗效果（情況說明：汽車尾氣溫度高達500 ℃，考慮到競賽條件和安全性，本實驗采用萬用加熱爐進行模擬實驗，因其使用溫度可在500 ℃左右，所以基本可以使用萬用加熱爐代替發(fā)動機高溫尾氣進行實驗）。

5 結 語

本設計方案利用了雙床吸附式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收汽車尾氣余熱進行制冷，與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷系統(tǒng)在不降低汽車動力的前提下，回收了尾氣廢熱，提高了能量的利用效率，符合當前工業(yè)發(fā)展與環(huán)境協(xié)調的總趨勢。系統(tǒng)裝置沒有使用壓縮機，因而不會大幅度消耗汽車高品位電能或機械能，從而大幅度降低了汽車制冷耗油量且減少了機械噪聲和機械振動，延長了制冷系統(tǒng)的使用壽命，降低了燃油的消耗量，更具有經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 張軍，孟祥睿，馬新靈.低品位熱能利用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[2] 薛德千.太陽能制冷技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[3] 王如竹，王麗偉.低品位熱能驅動的綠色制冷技術：吸附式制冷[J].科學通報，2005，（2）.

[4] 嚴愛珍，鮑書林，顏貽春，等.沸石分子篩吸附式制冷Ⅱ吸附式制冷循環(huán)系統(tǒng)[J].制冷學報，1983，（1）.